CN114297862A - 一种引水渠道冰情预测模型的构建方法 - Google Patents

Abstract

本发明技术方案提供了一种引水渠道冰情预测模型的构建方法，根据水温预测模型获取渠道断面日最低水温，根据天气预报数据计算阶段负积温，将渠道断面“日最低水温”和“阶段负积温”作为预报因子。构建各类冰情在其生消时间点与预报因子的映射关系，得到各类冰情的生消时间点对应的预报因子的临界值。根据映射关系和预报因子的临界值绘制冰情预测模型。优点是提供一种采用“阶段负积温”作为冰情预测模型的预报因子之一，解决了现有技术中冰情预测模型无法预测冰情类型的问题，同时提高预测的准确性。

Description

一种引水渠道冰情预测模型的构建方法

技术领域

本发明涉及水利工程技术领域，尤其涉及一种引水渠道冰情预测模型的构建方法。

背景技术

我国水资源紧缺状况日趋严重，且水资源的时空分布非常不均匀。长距离调水是有效解决我国水资源时空分布不均的重要方法，这对提高水资源的利用效率、解决大中城市的缺水问题、优化水资源的配置和改善生态环境具有重要意义。

由于大型跨流域调水工程输水线路长、分布广，输水跨越时空大，气象、水文条件复杂，因此长距离调水工程较一般的调水工程而言控制其运行要复杂得多。入冬后，一些线路不可避免地要经过冬季低温区。伴随着气温的降低，水温逐渐下降至冰点，在气象、水力等因素影响下会产生各类型的冰情现象(如岸冰、流冰、冰盖等)。这就要求做好调水工程冰期输水的控制工作，若渠道冰期输水不能正常运行，将无法满足受水区的用水需求，甚至会发生输水事故，造成生命和财产的损失。

根据已投入运行的国内外冬季输水渠道运行经验，渠道结冰期采取冰盖输水是一种安全可靠的运行方式。但是，在漫长的冬季来临时，如何在正确的时间点控制水位并形成冰盖，又如何在冰盖运行时尽可能的提高输水效率，满足冰期输水能力和渠道安全输水要求，需要依靠工程运行后的冰情观测积累经验，获得冰情观测数据，及时总结冰情生消演变规律，准确地预报各类冰情的生消节点，验证设计并指导运行调度。

目前冰情预报主要是利用模型试验、原型观测、数值模拟等方法对冰情的形成和发展进行研究，结合人工智能算法，如BP神经网络、遗传算法等，对是否产生冰情进行预测，但是不能预判具体的冰情类型，对实际工程难以起到实用、高效的预报效果。

所以，如何提供一种能够预测冰情类型的模型成为亟待解决的问题。

发明内容

本发明提供一种引水渠道冰情预测模型的构建方法，用以解决现有技术中无法预测冰情类型的问题，同时提高预测的准确性。

为了实现上述目的，本发明技术方案提供了一种引水渠道冰情预测模型的构建方法，包括：根据水温预测模型获取渠道断面日最低水温，根据天气预报数据计算阶段负积温，将所述渠道断面的“日最低水温”和“阶段负积温”作为预报因子。构建各类冰情在其生消时间点与所述预报因子的映射关系，得到所述各类冰情的生消时间点对应的预报因子的临界值。根据映射关系和所述预报因子的临界值绘制所述冰情预测模型。

作为上述技术方案的优选，较佳的，根据天气预报数据计算阶段负积温，包括：对低于0℃的日平均气温累加，当日平均气温连续三日恢复0℃以上时，当前阶段负积温归零；当日平均气温再次低于0℃，则开始计算另一阶段负积温。

作为上述技术方案的优选，较佳的，映射关系，包括：

初生岸冰：日平均气温开始转负，阶段负积温发生积累，渠道断面日最低水温降至4.0℃以下；

流冰初现：日平均气温逐渐下降，阶段负积温积累至-40.0±10℃，渠道断面日最低水温降至1.0℃以下；

冰盖初现：日平均气温持续下降，阶段负积温积累至-100.0±20℃，渠道断面日最低水温降至0.2℃以下；

冰盖消融：日平均气温出现回升，阶段负积温保持积累，渠道断面日最低水温升至0.2℃以上。

流冰消融：日平均气温继续回升，阶段负积温积累至本轮降温的最大值，渠道断面日最低水温升至1.0℃以上；

岸冰消失：日平均气温稳定转正，阶段负积温归零，渠道断面日最低水温升至3.0℃以上。

作为上述技术方案的优选，较佳的，构建所述映射关系还包括：记录渠道岸冰、流冰、冰盖初生和消融时的渠道断面日最低水温值和阶段负积温值；计算各冬季观测期预报因子参考值的算术平均值。

作为上述技术方案的优选，较佳的，绘制所述冰情预测模型，包括：将各类冰情的生消时间点对应的渠道断面日最低水温和阶段负积温的临界值作为分界点，再将二维平面坐标划分为不同区域，不同区域表示在冬季出现的不同冰情类型。

本发明技术方案提供了一种引水渠道冰情预测模型的构建方法，根据水温预测模型获取渠道断面日最低水温，根据天气预报数据计算阶段负积温，将渠道断面“日最低水温”和“阶段负积温”作为预报因子。构建各类冰情在其生消时间点与预报因子的映射关系，得到各类冰情的生消时间点对应的预报因子的临界值。根据映射关系和预报因子的临界值绘制冰情预测模型。

本发明的优点是提供一种采用“阶段负积温”作为冰情预测模型的预报因子之一，解决了现有技术中无法预测冰情类型的问题，同时提高了预测的准确性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明技术方案的流程图。

图2为冬季输水渠道冰情发生、发展过程的示意图。

图3为本发明中应用的预报因子“阶段负积温”与“传统负积温”的计算结果对比图。

图4为调水工程研究渠段在某一冬季运行期各类冰情生消时间点对应的预报因子的临界值计算结果图。

图5为构建的某调水工程研究渠段冰情预测模型图。

图6为调水工程研究渠段数个冬季观测期的模型应用结果图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

现对本发明技术方案进行详细说明(图1为本发明技术方案的流程图)：

步骤101、搜集、整理历史基础观测数据。

搜集输水渠道冬季的历史基础数据，包括气象、水力、冰情数据等，进行整编后作为建立冰情预测模型的基础数据。

步骤102、分析冰情生消演化规律，确定模型的预报因子。

对获取的历史气象、水力、冰情数据进行深入分析，得到调水工程冬季冰情的影响因素及各类冰情的生消演变规律。

在静水中，随着水体表面气温降低，表层水体失去热量，水温降低，因其比重变大而下沉；而下层较暖的水体因其比重较小而上浮到水面，又与冷空气接触，失热后又下降，如此反复形成对流。由于水在4℃时密度最大，所以当上下层的水温都降至4℃时，因重力而造成的对流现象停止。而后表层水体继续冷却至水温下降至0℃，将释放潜热凝结成冰晶。由于冰的密度比水小，所以冰晶停留于水面，并在冷空气的影响下，互相粘结，构成薄冰膜。其后，随着负积温的积累，冰层继续增厚并形成完整坚固的冰盖。

冬季水流中，当气温降低到0℃以下时，初生的冰晶相互聚集，则在岸边流速缓慢的地方形成较薄的岸冰。在负气温的影响下，表层水体大量失热，由于水体处于湍流状态，水分子间热交换作用强烈。不仅表层的水体冷却，整个过流断面的水温也同时下降。在实际过程中，结冰并非完全从表面开始，处于过冷却状态的水只要具备了凝结成冰晶的条件，水体任何部位都能结冰。当水体过冷却达到一定程度时，水中冰晶(即水内冰)开始形成冰花，而后在湍动作用下，冰花形成团粒-絮状冰。随着冷却的进一步发展，絮状冰相互钩合、碰撞，形成冰盘。水内冰不断漂浮于水面或悬游于水内，随着互相粘结或附着在漂浮着的薄冰上，体积逐渐增大，形成流冰。流冰在水面上向下游移动，随着流凌量的增大和气温的继续降低，流凌之间的摩擦力、冻结力增大，即流冰阻力增大，从而流冰密度不断增大，当流冰密度达到渠道临界流冰密度值时，伴随着渠道两侧生成的岸冰，跨越渠道发生“冰拱”现象。当密集的流冰在水工建筑物前、弯道或断面缩窄处卡堵，后续的流冰由此开始不断上溯将形成冰盖。图2为冬季输水渠道冰情发生、发展过程的示意图。

通过分析冰情生消演化规律，查找冰情的影响因素。在常规运行状况下，调水工程的水力因子(流速、水深)一般相对稳定，那么气象因子是影响冰情生消的关键参数。通过分析各类气象因素(太阳辐射、气温、气压、风速、风向、相对湿度等)对渠道冬季冰情生消演化规律的影响，确定基于流速、水深为某一稳定运行区间的冰情预测模型的两个预报因子：渠道断面“日最低水温”和“阶段负积温”。

步骤103、获取渠道断面“日最低水温值”。

预测日的渠道断面“日最低水温”通过迭代法水温预测模型获取：

式中，

为第n+1日渠道断面的预测水温；

为今日渠道断面的实测水温；

分别为天气预报明日、第3日……第n日、第n+1日的最低气温；Δt_n+1-i分别为天气预报明日、第3日……第n日、第n+1日的气温极差；i为自然数；a、b、c为模型修正三系数，随着数据容量的增加趋于稳定。

步骤104、计算“阶段负积温”。

通常某地区的负积温是冬季日平均气温低于0℃的累加值，在整个冬季里负积温是只增不减的，但对于寒潮过后的升温过程缺少表述机制，不利于与冰情的生消演变建立联系；若某地区冬季的降温过程由数次强度不等的寒潮组成，则负积温很难表达历次的降温过程和升温过程，对冰情的预判不够准确。本发明中的阶段负积温是将冬季低于0℃的日平均气温累加，当日平均气温连续三日恢复0℃以上时，阶段负积温归零，日平均气温再次低于0℃时重新累加计算，最终得到数次寒潮分别对应的几个最大阶段负积温值，计算结果如图3所示。

步骤105、确定冰情发生和转换时预报因子临界点。

充分利用步骤101搜集、整理的历史基础观测数据，根据步骤102的冰情生消演变规律总结过程，步骤103和步骤104模型预报因子值的计算过程，对研究渠段数个冬季(一般不少于3个)的冰情原型观测数据进行分析。研究渠道的水力运行情况(水位、流速等参数的运行范围和波动情况)，记录每个冬季运行期各类冰情发生转换时对应的气象因素条件和水力运行条件，即岸冰、流冰、冰盖初生和消融时的渠道断面“日最低水温”和“阶段负积温”，作为冰情模型预报因子临界值的参考值。进一步的，计算各冬季观测期预报因子参考值的算术平均值，作为各类冰情转换时预报因子的临界值。需要说明的是：由于本发明研究的调水工程水力学指标(水位、流速等)基本稳定，所以设置水力学因子为控制参数，该模型在控制参数值范围内进行冰情预测分析；模型中预报因子的临界值，通过对调水工程冬季运行期的水力、气象、冰情观测数据进行统计分析获得，并可以通过不断地输入观测数据结果，对预报因子临界值进行合理修正及优化，以提高冰情预测模型的适用性和预测准确度。

以具体实施场景为例：

调水工程的某运行渠段位于华北平原太行山东麓，该区域的气候特点表现为大陆性季风气候显著，冬季寒冷干燥，1月份气温最低，12月份次之，2月份气温最高。在运行期间，该渠段的流速范围为0.29～0.36m/s，水深范围为3.32～3.83m。图4为调水工程研究渠段在某一冬季运行期各类冰情生消时间点对应的预报因子的临界值计算结果图。

步骤106、构建映射关系。

根据步骤102至步骤105的统计及计算，构建映射关系，映射关系包括：冰情状态-阶段负积温-渠道断面日最低水温之间的关系，具体的，

初生岸冰：日平均气温开始转负，阶段负积温发生积累，渠道断面日最低水温降至4.0℃以下；

流冰初现：日平均气温逐渐下降，阶段负积温积累至-40.0±10℃，渠道断面日最低水温降至1.0℃以下；

冰盖初现：日平均气温持续下降，阶段负积温积累至-100.0±20℃，渠道断面日最低水温降至0.2℃以下；

冰盖消融：日平均气温出现回升，阶段负积温保持积累，渠道断面日最低水温升至0.2℃以上。

流冰消融：日平均气温继续回升，阶段负积温积累至本轮降温的最大值，渠道断面日最低水温升至1.0℃以上；

岸冰消失：日平均气温稳定转正，阶段负积温归零，渠道断面日最低水温升至3.0℃以上。

步骤107、根据预报因子的临界值，确定各类冰情的预报区域，绘制冰情预报模型。

具体的，首先确定调水工程研究渠段的水力参数(水深和流速等)的变化范围，然后根据冰情发生和转换时预报因子的临界点，以渠道断面日最低水温和阶段负积温的数值作为不同类型冰情的分界条件，绘制二维冰情预测模型区域图，根据此模型对未来各类冰情进行预报，如图5所示。

需要说明的是：当调水工程研究渠段的水深和流速变化较大时，预测结果要根据动力因素变化情况进行修正。

图6为调水工程研究渠段数个冬季观测期的模型应用结果，据此可以说明该模型的预测精度。在观测区间内，该渠段对岸冰的预测精度为91.3％，流冰的预测精度为94.7％，冰盖的预测精度为90.5％。通过对结冰期和融冰期各类冰情(岸冰、流冰和冰盖)的预测，可以获知调水工程冰期运行的时长，以及各类型冰情运行的周期长度，并通过制定合理的调度运行方案，保障冰期运行安全，并尽可能提高调水效率。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (5)

1.一种引水渠道冰情预测模型的构建方法，其特征在于，包括：

根据水温预测模型获取渠道断面日最低水温，根据天气预报数据计算阶段负积温，将所述渠道断面的日最低水温和所述渠道断面的阶段负积温作为预报因子；

构建各类冰情在其生消时间点与所述预报因子的映射关系，得到所述各类冰情的生消时间点对应的预报因子的临界值；

根据所述映射关系和所述预报因子的临界值绘制所述冰情预测模型。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据天气预报数据计算所述阶段负积温，包括：

对低于0℃的日平均气温累加，当日平均气温连续三日恢复0℃以上时，当前阶段负积温归零；

当日平均气温再次低于0℃则开始计算另一阶段负积温。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述映射关系，包括：

初生岸冰：日平均气温开始转负，阶段负积温发生积累，渠道断面日最低水温降至4.0℃以下；

流冰初现：日平均气温逐渐下降，阶段负积温积累至-40.0±10℃，渠道断面日最低水温降至1.0℃以下；

冰盖初现：日平均气温持续下降，阶段负积温积累至-100.0±20℃，渠道断面日最低水温降至0.2℃以下；

冰盖消融：日平均气温出现回升，阶段负积温保持积累，渠道断面日最低水温升至0.2℃以上。

流冰消融：日平均气温继续回升，阶段负积温积累至本轮降温的最大值，渠道断面日最低水温升至1.0℃以上；

岸冰消失：日平均气温稳定转正，阶段负积温归零，渠道断面日最低水温升至3.0℃以上。

4.根据权利要1所述的方法，其特征在于，构建所述映射关系还包括：记录渠道岸冰、流冰、冰盖初生和消融时的渠道断面日最低水温值和阶段负积温值；计算各冬季观测期预报因子参考值的算术平均值。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述绘制所述冰情预测模型，包括：

将各类冰情的生消时间点对应的渠道断面日最低水温和阶段负积温的临界值作为分界点，再将二维平面坐标划分为不同区域，不同区域表示在冬季出现的不同冰情类型。

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